避雷器残压试验中雷电冲击残压波形影响因素分析_孙泉.pdf

年第 期（总第 期）年 月电瓷避雷器 （）收稿日期：避雷器残压试验中雷电冲击残压波形影响因素分析孙 泉，田泽群，王富豪（西安高压电器研究院股份有限公司，西安）摘 要：雷电冲击残压试验（以下简称残压试验）是验证避雷器雷电冲击保护特性的重要试验，测量的准确性是试验的基础。笔者针对试验中因示波器通道间干扰、分压器分压比及低压臂阻抗大小等因素对残压波形的影响进行了分析，并针对影响因素采用不同方法改善了残压测量波形，为提高雷电冲击残压测量的准确性提供了参考方案。关键词：雷电冲击残压；示波器通道间干扰；分压器；电流传感器；衰减器 ，（，）：（），：；引言雷电过电压防护措施是电力系统研究的重要内容，不同学者从不同方面开展了各类研究。文献 分别分析架空线、变压器、杆塔的不同防雷措施，由接地电阻大小、屏蔽线安装方式、使用无间隙金属氧化物避雷器、使用带外串联金属氧化物避雷器等影响因素给出了电力系统雷电过电压防护措施建议，其中避雷器作为电力系统过电压保护措施的常用手段，被重点论述。避雷器的保护性能、大电流耐受性能、方波通流性能等电气性能是评价避雷器优劣的重要性能，文献 对避雷器上述性能进行了大量研究，其中文献 研究了影响电阻片通流容量的各类因素，由试验波形、电阻片尺寸、电阻片配方等因素分析了电阻片或避雷器通流耐受性能。文献 通过试验具体分析了整只避雷器的残压特性。由于避雷器雷电残压试验决定了其雷电保护特性，对确定电力系统绝缘配合有重要意义，因此残压试验测量的准确性是需要关注的。为了更准确地测量残压中的电流，文献研制了一种电流传感器。基于残压试验中测量电压的问题，文献由分压器电阻值大小对残压测量结果的影响进行了分析，文献 分别由衰减探头、电缆阻抗匹配、触发方式等方面分析了残压试验中残压波形可能受影响的原因。在已有的研究外，笔者通过大量试验发现了引起残压波形异常的典型因素并进行了分析。年第 期避雷器残压试验中雷电冲击残压波形影响因素分析（总第 期）示波器通道间干扰 波形异常现象图 残压测量回路示意图 图 是一种典型的残压试验测量回路示意图，笔者采用该示意图的回路对氧化锌电阻片进行试验，经采集软件读取示波器信号的波形图见图。图 异常的残压波形 由图 可以看出，当示波器同时测量读取残压信号和电流信号时（双通道信号源），残压波形有明显振荡。保持测量回路中其他配置不变，在示波器的输入端口仅接入分压器传输的残压信号，不接电流信号（单通道信号源），此时示波图见图。图 只测量残压信号时的波形图 由图 可以看出，示波器不接电流信号时残压信号未出现图 中的振荡现象，因此图 中示波器残压波形振荡可能是因为电流信号进入示波器后对残压信号有干扰影响。原因分析残压试验测量回路中，电流信号采集采用型号为 的 电流传感器，该传感器传输比为 ，为无源器件，使用时为参考电位悬浮状态；分压器为电阻分压器，分压比为，分压器经氧化锌电阻片试品下端接地；示波器型号为泰克，其模拟带宽为，采样率为，示波器采用电池供电且外壳未接地，使用时为参考电位悬浮状态。电压、电流信号均通过同轴电缆传输至示波器。结合图 和上述测量回路各部件的使用情况分析可知，电流传感器、分压器的信号在进入示波器前无直接的物理连接点，整个测量回路的物理连接点只有示波器两个通道端口接地侧（地电位侧），电流信号和电压信号很可能通过此处相互影响。为了分析信号大小通过示波器通道端口间互相影响的程度，笔者进行了如下试验：）示波器只接分压器信号，分压器分别不接衰减器、接 衰减器、接 衰减器进行试验。）示波器同时接电流传感器信号和分压器信号，且电流传感器不接衰减器，分压器分别不接衰减器，接 衰减器、接 衰减器进行试验。）示波器同时接电流传感器信号和分压器信号，且电流传感器接 衰减器，分压器分别不接衰减器、接 衰减器、接 衰减器进行试验。）示波器同时接电流传感器信号和分压器信号，且电流传感器接 衰减器，分压器分别接不接衰减器、接 衰减器、接 衰减器进行试验。试验）的目的是为了观察分压器接入不同衰减器时残压信号的原始波形，用以判断后续试验中残压波形异常是否与电流信号的接入有关。试验）试验）是为了观察示波器输入大小不同的信号时通道之间的干扰程度。不同试验时，电流信号和残压信号输入示波器的信号大小见表，示波图见图 图，示波图中通道 为电流信号波形，通道 为残压信号波形。表 输入示波器的信号大小 输入方式分压器不接衰减器分压器接 衰减器分压器接 衰减器电流传感器不接衰减器电流传感器接 衰减器电流传感器接 衰减器输入示波器信号幅值 左右 左右 左右 左右 左右 左右 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）图 不接电流信号时的残压示波图 图 接入电流信号且电流传感器不接衰减器示波图 图 接入电流信号且电流传感器接 衰减器示波图 年第 期避雷器残压试验中雷电冲击残压波形影响因素分析（总第 期）图 接入电流信号且电流传感器接 衰减器示波图 通过图 可以看出，分压器不接衰减器直接将信号输入至示波器时电压波形没有任何振荡。分压器在接不同变比衰减器的情况下波形上的振荡程度略有差别，该振荡可能是残压测量回路中加入了衰减器后导致信号传输回路首、末阻抗不匹配导致的，也可能是衰减器本身的响应特性造成的。具体分析可参考文献。由图 和图 可以看出，当电流传感器的信号不经衰减器直接输入至示波器时，电流信号和残压信号输入示波器的差值越大，电流信号对残压信号的干扰越大。在图（）、图（）中，分压器输入示波器的信号均为 左右的情况下，电流传感器输入至示波器的信号为 时残压波形振荡非常明显，该波形已经影响了测量的准确性。由图 和图 可以看出，将电流传感器输入至示波器的信号控制在 左右时，电流对残压波形几乎没有影响。由图 可以看出，当电流传感器输入至示波器的信号为 左右时，残压信号会干扰电流信号。即便是将分压器的输出信号控制在与电流输出信号大小相当的 左右时，残压信号依然对电流信号有影响，示波图见图（）。解决措施经上述分析可知，当采用图 所示残压测量回路进行残压试验时，为了不使分压器信号和电流传感器信号在示波器入口端互相影响导致波形异常，需要通过控制电流传感器与分压器变比、增加衰减器等方式控制电流和残压输入示波器的信号大小，使两个输入信号尽量接近且控制在伏级，而不是毫伏级。此外，可以采用不同信号独立测量、光纤传输的方式彻底解决此问题。笔者设计了一种两个示波器分别测量电流、残压的方案，其示意图见图。该方案中，电流信号和残压信号分别经过两个示波器进行数据处理，两个示波器采用两个独立的电池供电，两个示波器的数据经光电转换后传输至计算机，通过软件将两个示波器的数据整合为同一时基下的示波图。该方案在示波器信号输入端、电源供电端彻底将电流和残压信号进行了物理隔离，使波形更加真实。笔者使用同一示波器和使用该方案分别测量 冲击电流下避雷器的残压，示波图见图，可见采用该方案后，残压波形已无干扰带来的振荡。采用独立电池供电的另外一个优点是可以避免实验室电源接地和设备接地方式不同时造成的残压信号异常。图 是示波器电源直接接入未隔离的 电源和经单独的电池供电时的残压波形的区别，可见示波器电源接地方式对残压波形测量的影响非常大。图 独立两通道光纤测量方案 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）图 单台示波器和两台示波器测量波形的对比 图 示波器接不同电源时的示波器 分压器低压臂阻抗大小对波形的影响 残压测量时，除了有直接物理连接的电源、电流信号以及外部电磁环境对残压波形可能产生直接或间接的影响外，残压测量回路中分压器高低压臂的参数、传输电缆参数、衰减器参数等均可能影响测量的准确性。对信号波折反射的影响文献 从理论上分析了不同分压器电容、电压或电阻之间的匹配程度对波形的影响。为了避免电磁波在测量回路中的反射，需要在测量回路中增加适当的电阻、电容或电感等阻尼元件，使测量回路中的总阻抗与电缆阻抗尽量匹配。以电阻分压器为例，典型的理想测量回路连接方式见图，图中 为分压器高压臂电阻，为分压器低压臂电阻，为传输线首端匹配电阻，为末端匹配电阻，为传输电缆匹配阻抗。如只采用 进行匹配时，一般称为串联匹配，此时要求 。如果只在示波器的一端并联电阻进行匹配，一般称为并联匹配，此时要求 。图 典型的电阻分压器测量回路连接示意图 不考虑分压器杂散电容、等效电感影响，在图 的示意图中假设既不使用串联补偿，也不使用并联补偿，在信号传输开始的瞬间，进入电缆的信号是，进入示波器的初始信号为，由文献 可知 （）（）式（）中，为流过分压器高压臂 的电流。如果测量回路阻抗没有达到匹配状态，当反射波返回分压器时，又在分压器发生反射，所得的发射波信号为，此后在示波器上如果发生发射，发射信号为，则有 （）（）如果 ，式（）中 为，信号传输回路不会发生波的折反射，由于，信号将以折反射波的形式在测量回路上多次反射，此过程在示波图上的表现即为信号的振荡过程。由式（）式（）可知，在不增加匹配阻抗 或 的情况下，折反射波的次数与分压器低压臂以及传输电缆阻抗 有直接关系。对响应时间的影响由文献可知，以电阻分压器为例，其阶跃响应（）和响应时间 分别为 年第 期避雷器残压试验中雷电冲击残压波形影响因素分析（总第 期）（）（）（）（）（）式（）中，（），为分压器低压臂和高压臂之和，为分压器对地杂散电容。因此电阻分压器的本身设计参数、物理体积决定了式（）和式（）中的、的大小，进而决定了分压器的响应时间。由于使用中的分压器一般很难从高压臂着手进行参数调整，因此可通过调整低压臂参数来优化分压器的阶跃响应和响应时间。对残压波形的影响由上述分析可以，根据理论计算并设计测量回路中各种参数时，测量的残压波形既不会有过多的波反射过程，也可以反应出应有的响应时间。然而，由于电缆长度不同、电缆制造工艺不同、电缆布置形式不同、衰减器参数不同、分压器杂散电容无法准确预估等原因造成了理论计算参数并不适用于实际测量回路参数配置的可能情况，此时残压波形将存在振荡或过冲现象。因此，完全按照理论方式计算相关参数需要精确测量且不断修正参数值才能达到预想的结果，其不具备便捷性。为了研究低压臂电阻与传输电缆匹配阻抗对雷电冲击残压波形的影响，笔者以电阻分压器为例，在图 所示的连接图中不使用 和，仅改变分压器低压臂电阻 和电缆 的大小进行下述试验：）传输电缆采用匹配阻抗为 的同轴电缆，分别将分压器低压臂电阻配置为、，在冲击电流发生器充电电压相同、试品相同的情况下分别进行 残压试验，测量残压波形，示波图见图。）传输电缆采用匹配阻抗为 的同轴电缆，分别将分压器低压臂电阻配置为、，在冲击电流发生器充电电压相同、试品相同的情况下分别进行 残压试验，测量残压波形，示波图见图。为了不引入测量回路中其他因素对试验波形的影响，进行试验时示波器采用电池供电，试验中不测量电流波形仅测量残压波形，分压器信号不采用衰减器、经传输电缆直接输入至示波器。图 电缆标识的 图 电缆标识的 年第 期电 瓷 避 雷 器（总第 期）由图 和图 可以看出，在低压臂电阻不同的情况下，无论是采用匹配阻抗为 还是 的同轴电缆，残压波形的轮廓基本相同。当低压臂电阻小于或接近同轴电缆匹配阻抗时，残压波形的上升沿会有过冲，但过冲后未见明显振荡，与 相差越大，过冲越明显。上述试验过程中，选择 或者 同轴电缆并未影响残压波形的轮廓，低压臂大小的改变影响了残压波形的过冲程度，这有一部分原因是电阻较大的低压臂使分压器本身的响应时间变缓，缓解了过冲现象。此外，由图（）和图（）可以看出，当低压臂相同时，采用 电缆测量的残压波形有明显过冲，而采用 电缆测量的残压波形无过冲现象，这说明了残压波形的过冲还受低压臂电阻大小与电缆阻抗大小之间的匹配程度的影响，当分压器本身输出特性不变时，不同匹配阻抗电缆的选择也可能导致波形存在过冲现象。笔者考虑到极端情况，将低压臂电阻增大为，分别使用 同轴电缆和 同轴电缆再次进行试验时测量的残压波形见图，可以看到，两个残压波形均无过冲现象且几乎相同。图 然而，必须要意识到，将低压臂电阻不断增大虽然可以解决残压上升沿的过冲现象，但该方法带来的另